Att observera strukturen för att kollapsa instabila atomkärnor med hjälp av elektroner är ett experimentellt mål som inte har uppnåtts någonstans i världen. Masanori Wakasugi, chef för Instrumentation Development Group vid RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science (RNC), arbetar med denna utmanande fråga.

Den nuvarande teoretiska modellen för atomkärnan har konstruerats med stora bidrag från elektronspridningsexperiment, där elektroner kolliderar med stabila atomkärnor för att visualisera kärnstrukturen. Under de senaste åren har dock, ett brett spektrum av experiment med egenskaperna hos instabila atomkärnor har avslöjat ett antal fenomen som är oförenliga med den nuvarande modellen för atomkärnan.

Radioisotop -elektronspridningsexperiment där elektroner kolliderar med instabila kärnor är oumbärliga för att fastställa den ultimata modellen för atomkärnan, vilket ger en omfattande förståelse för både stabila och instabila kärnor. Wakasugi och hans kollegor tar unika tillvägagångssätt för att uppnå detta världs första experiment.

Observera de kemiska reaktionerna för enstaka molekyler

"När jag gick på gymnasiet, Jag lärde mig den kemiska formeln för elektrolys av vatten, Säger Kim. Den formeln är H2O → H2 + 1/2O2. ”Jag frågade min lärare varför vi måste multiplicera O2 med hälften. Läraren svarade att syret multipliceras med hälften eftersom när vatten elektrolyseras, väte och syre produceras i andelen två till ett. Dock, Jag trodde, vad händer om en enda vattenmolekyl elektrolyseras? Denna fråga gav mig incitament att observera processen för en kemisk reaktion på skalan för en enda molekyl. ”

Kim gick vidare till Institutionen för kemi vid Seoul National University där han utbildade sig i elektrokemi. "På den tiden, Jag genomförde experiment som använde en elektrisk krets, som vid elektrolys av vatten, för att kontrollera en kemisk reaktion i en lösning och för att undersöka den kemiska reaktionen från reaktionsprodukterna. Detta tillvägagångssätt, dock, ger inte information om hur enskilda molekyler är inblandade i en kemisk reaktion. Vi kan bara gissa. ”

Efter att ha avslutat sitt magisterprogram vid Seoul National University, han besökte Japan 1996 och började forskning vid University of Tokyo under överinseende av Akira Fujishima, nu ordförande för Tokyo University of Science, som var känd som "fotokatalysatorns far". Fotokatalys är en process genom vilken molekyler kan brytas ned på ytan av ett fotoaktivt material, såsom titanoxid, om exponering för ljus. ”Jag planerade ursprungligen att göra en grundlig studie av fotokatalysatorer. Dock, Prof. Fujishima föreslog att jag skulle göra mer grundforskning eftersom min bakgrund var vetenskap. Så jag bestämde mig för att studera de fysiska fenomen som uppstår när en substans yta utsätts för ljus. ”

Reagerar en enda molekyl

”När jag gick tredje året på mitt doktorandprogram, Jag stötte på ett mycket spännande papper som rapporterade att ett skanningstunnelmikroskop framgångsrikt hade använts för att observera "molekylvibrationer" för en enda molekyl. Jag tänkte direkt att det här var vad jag verkligen ville göra. ”

Ett skanningstunnelmikroskop (STM) är en avbildningsteknik som gör att en ämnes mikroskopiska ytstruktur kan kartläggas vid upplösningar som närmar sig skalen för enskilda atomer. Men detta är inte den enda funktionen hos STM; den kan också användas för att identifiera de typer av molekyler som finns närvarande baserat på molekylvibrationen.

I STM, en spänning appliceras på en mycket skarp sondspets som bringas mycket nära en molekyl på en yta. Elektroner från sondflödet till målmolekylen, producerar det som kallas en "tunneling current", med hänvisning till hur elektroner tycks "tunnla" genom den klassiska energibarriären som behövs för att en sådan ström ska flyta. Denna ström inducerar en molekylär vibration, orsakar att alla enskilda atomer i målmolekylen förflyttas från sina jämviktslägen. Intensiteten hos den molekylära vibrationen som motsvarar en given spänning beror på typen av molekyl eller de kemiska bindningarna i molekylen. Molekyltypen kan därför identifieras genom att observera molekylvibrationerna.

”Jag letade efter ett forskningslaboratorium där jag kunde använda STM i Japan när professor Fujishima presenterade mig för Surface Chemistry Laboratory på RIKEN, under den tiden ledd av chefsforskaren Maki Kawai, som nu är verkställande direktör för RIKEN. ”

Efter att ha anslutit sig till Surface Chemistry Laboratory 1999, Kim utvecklade STM -teknik tillsammans med Tadahiro Komeda, en forskare i laboratoriet och nu professor vid Tohoku University. Där, Kim observerade molekylära vibrationer för att framgångsrikt identifiera enskilda molekyler på denna grund. Han lyckades också injicera elektroner i en specifik plats i en molekyl, på så sätt förändras den till en annan molekyl.

”Vi tog bort två väteatomer från en trans-2-butenmolekyl bestående av fyra kol- och åtta väteatomer för att producera en 1, 3-butadienmolekyl bestående av fyra kol- och sex väteatomer. Vi använde STM för att orsaka en kemisk reaktion som avsett i en enda molekyl, observerade vibrationssignalerna före och efter reaktionen, och identifierade typen av molekyl framgångsrikt för första gången. ”

Kim tillskriver framgången med att framkalla den önskade kemiska reaktionen till laboratoriets tidigare arbete med katalys. "Vi placerade en molekyl på ytan av palladium, som fungerade som en katalysator för den kemiska reaktionen. Surface Chemistry Laboratory startade ursprungligen som ett katalysatorforskningslaboratorium, och vi är mycket skyldiga den enorma kunskapsackumuleringen om molekyler och katalysatorer på ämnets yta. ”

Kontroll av enskilda molekyler

Det återstod fortfarande en teknisk utmaning att observera molekylära vibrationer av STM. "När elektroner injiceras från en STM -sondspets i en molekyl, vissa molekyler börjar röra sig innan deras molekylära vibrationer observeras. Att hitta ett effektivt sätt att observera dessa instabila molekyler var ett stort problem för oss. ”

Kim och hans laboratoriekollegor undersökte vilken elektronenerginivå som får molekylen att röra sig. ”Som ett resultat, vi fann att molekylen rör sig vid en injicerad elektronenerginivå som är lika med den som orsakar den starkaste molekylvibrationen. ”Baserat på dessa experiment, de etablerade en unik mätmetod som kallas "actionspektroskopi". ”Denna mätmetod gjorde det möjligt för oss att identifiera alla typer av molekyler, både stabila och instabila molekyler, och att undersöka deras väsentliga egenskaper. ”

När elektroner injiceras från en STM -sondspets i en molekyl, molekylen kan röra sig i många riktningar. “We cannot control the direction of a molecule’s movement, but we encounter this problem only when the STM probe tip is placed right above the molecule. So we placed the STM probe tip obliquely upward and used the electrostatic force acting between the probe tip and the molecule. This approach also enabled us to control the direction of movement of the molecule successfully.”

Kim’s team has used this technique to draw letters by moving molecules. In the late 1980s, a paper was published describing an experiment in which the atoms forming a molecule were moved by STM to construct letters. I det experimentet, the letters were created by drawing the atoms closer to the probe tip or by using the tip to shape the atoms. “We constructed our letters by moving the molecules themselves in the desired direction on a surface. This cannot be achieved without a complete understanding of the nature of molecules and the interaction between electrons and molecules.” In the future, this technique will be applied in the fabrication of computer circuits by arranging molecules.

Electrolyzing single water molecules

In 2009, Kim started the experiment that he first imagined when he was in junior high school—the experiment to electrolyze a single water molecule. “In electrolyzing a single water molecule, there are two possible reaction pathways, Säger han. Those pathways are H2O → 2H + O, and H2O → H + OH. In the former reaction, the two hydrogen atoms are separated from the single oxygen atom, and can be achieved by injecting electrons with high energy. The difficulty is how to produce the other reaction pathway.

Electrons injected into a molecule from an STM tip cause the molecule to start vibrating in an excited state. If the duration of the excited state (vibrational lifetime) is long enough, the molecular vibration causes the bonds between the atoms to break down, which increases the probability of a chemical reaction occurring. “When a single water molecule is placed on the surface of a metal, the water molecule cannot be broken down because of its short vibrational lifetime. This is because the water molecule binds chemically to the metal surface, and the energy of the injected electrons is easily dissipated into the metal surface.”

Placing a water molecule on the surface of an insulator instead of a metal can increase the vibrational lifetime because no chemical reactions can occur and no electronic energy is absorbed. Dock, a tunneling current cannot flow from the STM probe tip in this case because the water molecule is on an insulator. “To cope with this problem, we developed a metal surface coated with an ultrathin film of magnesium oxide just two atoms thick. A water molecule on this surface produces a small tunneling current in STM.”

Teoretiskt sett a water molecule can be electrolyzed when injected with an electron having an energy of 0.77 electronvolts or more. On the ultrathin MgO film, dock, the water molecule broke down at just 0.45 electronvolts. “We attributed this to a multi-step excitation process in which the water molecule is excited by the first injected electron and then by the following injected electron while the water molecule is still in the vibrationally excited state, because the electron energy is slowly dissipated owing to the ultrathin insulating film surface and hence the vibrational lifetime is increased.”

The results of their experiments showed exactly what they were looking for. “Using this approach, we succeeded in separating a single hydrogen atom from a single water molecule, ” says Kim. These results confirmed the H2O → H + OH reaction pathway experimentally for the first time, and could lead to the development of technologies for producing hydrogen fuel with the minimum consumption of energy.

Practical applications of single-molecule experiments

In 2010, Kim started the Surface and Interface Science Laboratory at the RIKEN Advanced Science Institute. “We are working on new research into the interaction between light and substances. Many researchers have already investigated this subject. Dock, there have been virtually no reports on experiments that examine the interaction between light and substances while observing individual molecules.”

Photocatalysts are a firm research target. “In Prof. Fujishima’s laboratory, I used to watch how he advanced his own research into photocatalysts around him. This time, I intend to conduct research into the essence of photocatalysts in my own right based on the technology and experience I gained over the years at RIKEN.”

On a single-molecular scale, nobody knew the position on titanium oxide at which a photocatalytic reaction occurs. “It has been considered for years that the photocatalytic reaction occurs at positions where oxygen atoms are missing on the surface of titanium oxide because electrons concentrate at those positions. Our experiments with an STM probe tip clarified that photocatalytic reactions actually occur across wide electronically active areas around the positions where oxygen atoms are missing.”

The Surface and Interface Science Laboratory is also conducting research into organic solar cells. “What types of molecules are most effective and how should we arrange them to increase power generation efficiency? Many researchers from around the world have wanted to perform single-molecule experiments while observing individual molecules, but such experiments have been too difficult to handle. We have accumulated STM technology that I am confident will enable such experiments.”

Toward ‘sci-engineering’

“So far, I have focused on research into the essence of chemistry. In the future I also plan to start research that helps us link that knowledge to practical applications. This idea was triggered by a meeting with Dr Takanori Fukushima from the Energy Conversion Research Team. He specializes in organic synthesis and can synthesize any organic molecule. I always have a good time with him, talking about our dreams.”

Molecules and matter exhibit different characteristics on the nanometer or molecular scale compared with the macroscale behavior scientists are most familiar with. This is the reason for the widespread scientific interest in nanotechnology over the past ten years, and the origin of the expectations for a nanotechnology revolution.

“These expectations, dock, are now on the point of fading because the findings to date have fallen short of society’s expectations. Although many theoretical papers have been published on what is actually going on in the nanometer world, only a few study have been reported because of the technical difficulty in directly observing the nature and functions of individual molecules. Many conventional application studies have been conducted without fully understanding the basic mechanisms of nanotechnology. I plan to make use of the STM to study the nature of individual molecules and open a new frontier in nanoscience that will allow us to explore the essence of the nanoworld.

“RIKEN launched systematic research into nanoscience before anywhere else in the world, ” Kim points out. “In 1993, Dr Kawai, now an Executive Director of RIKEN, started the Atomic Scale Sci-engineering Research and Promotion Group together with Chief Scientist Masakazu Aono, now a fellow at the National Institute for Materials Science, and Chief Scientist Katsunobu Aoyagi, who is now professor at Ritsumeikan University. ‘Sci-engineering’ is a term implying that research into the essence of a phenomenon should come first, and then engineering should follow from the results. I would like to follow the research concept of sci-engineering in the Surface and Interface Science Laboratory.